消毒是控制饮用水传播疾病的最主要手段, 是饮用水处理工艺中必不可少的一个组成部分。通常用于净水厂消毒的方法包括氯、臭氧、二氧化氯及紫外线消毒。其中, 以氯消毒应用最多、最为经济有效。由于液氯在运输、储存使用过程中存在不安全性, 及在消毒过程中易形成消毒副产物, 目前许多城市自来水厂纷纷寻求更加安全有效的消毒方式^[1], 采用次氯酸钠替代液氯消毒以降低水厂生产安全风险^[2], 减轻运输安全保障压力。本文以湛江市某净水厂为例, 通过综合分析水厂的气候、交通运输及工艺需求等条件, 确定采用现场制备次氯酸钠作为水厂消毒剂, 使其成为湛江市首次应用现场制取次氯酸钠的大中型净水厂。

湛江市某净水厂工程一期规模25万m³/d, 远期总规模50万m³/d。净水厂位于湛江市西厅外村, 负担赤坎-霞山片区的供水, 水源取自合流水库。出水水质满足《生活饮用水卫生标准》 (GB5749-2006) 。水厂处理工艺流程如图1所示。

目前次氯酸钠的使用主要包括商品次氯酸钠和现场制备次氯酸钠, 其中商品次氯酸钠是向氯碱厂购买, 其制备方法为化学法, 即指用碱吸收氯碱厂产生的尾气从而产生次氯酸钠, 为氯碱厂的副产品。此法生产的次氯酸钠溶液有效氯可达到10%, 但次氯酸钠所含的有效氯易受日光、温度的影响而分解, 据相关研究, 当温度大于35℃时, 商品次氯酸钠溶液储存10天后, 有效氯约下降16%左右。从而给运输、存储和使用造成许多不便。现场制备次氯酸钠采用电解法, 即以食盐为原料通过次氯酸钠发生器电解生成次氯酸钠的方法。该法生产的次氯酸钠溶液有效氯浓度一般为0.8%, 电解过程中伴随氢气产生。

2种方式各有利弊, 针对工程特点合理选择使用是消毒系统设计中需要着重考虑的问题。因此综合比较了2种方式的优缺点, 具体如表1。

综上比较, 2种方式均具有持续消毒作用, 能够满足净水厂消毒灭菌的要求。但考虑到湛江市常年气温较高, 不利于商品次氯酸钠的储存, 且湛江本地没有生产商品次氯酸钠的厂家, 购买不便, 同时湛江市属于台风多发地区, 极端情况下运输会受到影响, 而次氯酸钠发生器的生产和研制已有100多年的历史, 已经被证明是一种安全、可靠、运行成本较低的生产设备^[3]。另据孙凝等^[4]研究表明:现场制备次氯酸钠, 产氯量为6.5～8g/L时, 综合消毒成本较商品次氯酸钠溶液可以降低30%以上。因此, 选择现场制备次氯酸钠的方式作为该净水厂消毒药剂。

现场制取次氯酸钠是一种使用盐、水和电这3种常规物质的简单、易行的消毒工艺。在次氯酸钠发生器中, 主要是依靠电解槽中的有关反应, 将稀盐水在电场作用下氧化还原为次氯酸钠。

阳极:2Cl^--2e→Cl₂;

阴极:2H⁺+2e→H₂;

水解反应:Cl₂+H₂0→HClO+HCl;

总反应方程为:NaCl+H₂O→NaOCl+H₂。

现场制备次氯酸钠工艺流程如下:自来水进水首先经软水器软化后, 水中的钙、镁离子被去除, 生成软化水, 其中一部分软化水进入软化水箱存贮, 为次氯酸钠发生器的进水提供稀释水, 另一部分则进入溶盐池溶解食盐, 成为含量为30%的饱和食盐水。饱和食盐水经稀释配水至盐水含量为3%, 然后进入发生器。食盐水在电解槽内经直流电作用, 在阳极电解形成氯气, 阴极电解形成氢氧化钠和氢气。系统配有排氢系统, 可及时排出电解产生的氢气避免爆炸危险。

电解反应生成次氯酸钠溶液, 在上述反应式中, 每生成1g NaOCl (0.952g有效氯) , 同时产生0.5LH₂。生产流程如图2所示。

湛江某净水厂工程次氯酸钠制备间土建规模50万m³/d, 设备安装规模为25万m³/d。次氯酸钠投加量按预加氯1 mg/L、主加氯3 mg/L、补氯1mg/L考虑, 每日需有效氯量为1 250kg/d。近期配置2套55kg/h次氯酸钠发生器设备 (1用1备) 。储罐、盐罐、电控等部分按远期50万m³/d配置。

次氯酸钠制备间按功能分为盐水制备间、次氯酸钠发生器间、次氯酸钠投加间、配电控制室及次氯酸钠储池。其中次氯酸钠发生器间包括软水制备系统、次氯酸钠发生器, 氯投加间包括投加泵组及缓冲罐, 次氯酸钠储池包括排氢风机及次氯酸钠提升泵组。详见图3。

自来水进水经过软水器, 发生离子交换反应, 去除了水中的钙、镁离子。一部分软化水为次氯酸钠发生器提供稀释水, 另一部分进入溶盐池。系统设置2台软水器, 单台软水器处理水量Q=15m³/h, 并分别配置了2台软水贮水箱, 每座水箱2m³。

主要用于溶盐为次氯酸钠发生器系统提供饱和食盐水。固体食盐 (不含碘) 与软化水在溶盐池内混合至30%, 后经盐水泵加压与软化水按照1∶10比例稀释至3%的饱和食盐水进入电解槽。

为方便溶盐操作, 盐水制备间内设置吊车及破包器, 用于将固体食盐倒入溶盐池内。系统设置溶盐池1座, 有效容积40 m³, 满足近期6d (远期3d) 用盐量。溶盐池为全地下式钢筋混凝土池体, 池内壁采用5 mm厚环氧树脂玻璃钢防腐, 顶部设置玻璃钢盖板。溶盐池配有自动进水装置, 底部设置布水器。溶盐池设置进水口、出液口和溢流口。

主要由次氯酸钠发生器、整流器组成。通过配水模块配比后的3%稀盐水通过管道进入电解槽。通过整流器在电解槽两端加载合适的直流电流, 将稀盐水进行电解, 产生0.8%的次氯酸钠溶液, 并伴随有氢气产生。

近期设置有效氯产量为55kg/h的次氯酸钠发生器2套 (1用1备) , 同时为远期预留1台机位, 单套功率421kW (发生器功率36kW, 整流器功率385kW) 。

成品次氯酸钠储池共设2座, 单池有效容积为150m³, 近期存储时间48h, 远期存储时间24h。储池采用全地下式钢筋混凝土结构, 池内壁采用5mm厚环氧树脂玻璃钢防腐, 每座储池设置进水, 出水, 排空及溢流口, 上部设置检修人孔。

储池同时兼具排氢功能, 即每座储池设置进风口和出风口, 为避免氢气聚集, 在每座储池上设置排氢风机2台 (1用1备) , 单台参数为Q=3 300m³/h, 风压1 000Pa, 功率0.55kW。将电解反应所生成的氢气经过风机稀释到1%以下排放到大气中。

此外, 每台发生器出液管顶部设置1根排氢管, 出液管与储池相连, 经储池风机稀释后经氢气探测仪测量氢气浓度低于1%以下排放到大气中。

次氯酸钠投加包括缓冲系统和投加系统。缓冲系统配有2个缓冲罐及2台自吸泵。将地下储池中的液体经自吸泵送到缓冲罐内进行暂存, 再通过管道至投加泵进行投加。

投加系统包括3组投加泵, 其中主加氯设3台隔膜计量泵 (2用1备) , 预加氯设2台隔膜计量泵 (1用1备) , 补氯设2台隔膜计量泵 (1用1备) 。

每台投加泵前设置Y型过滤器, 泵后设置隔膜压力表、脉动阻尼器、背压阀、泄压阀各1个。单台投加泵前预留标定柱接口1个。单台投加泵吸药管、出药管及泄压管管径均为DN32。出药管路通过连通管连接, 每个投加点设置1台电磁流量计。

设置移动清洗车, 采用除垢剂定期对发生器进行清洗。移动清洗车配有酸洗箱1套, 容积500L, 酸洗泵1台, 参数Q=90L/min, H=8m, 功率0.15kW。

为避免氢气泄漏, 次氯酸钠发生器间设置氢气报警系统, 并设置机械排风、机械送风, 每小时换气次数8～12次/h, 其中排风机位于上部, 送风机位于下部, 风机与氢气报警仪联锁开启。次氯酸钠发生器间氢气报警装置报警时, 连锁开启排风机;送风机与排风机连锁开启和关闭。此外, 房间外设置防毒安全设备2套, 置于大门北侧墙壁上。

次氯酸钠制备自成系统, 设置PLC子站, 闭环控制, 根据储池液位自动运行, 并根据氢气探测器、排氢风机运行状态等进行保护, 通过以太网将运行数据接入水厂相应PLC站, 由中控室监控运行。

(1) 因地制宜优化系统设置。溶盐池采用地下池体, 上部盖板的方式, 既方便固体盐投入, 又有利于食盐水保持一定温度, 减少外加热及冷却, 节时节能。

(2) 优化次氯酸钠储池布置方式。根据工程特点, 将储池设于室外。为避免温度过高造成次钠分解速度加快、有效氯含量降低, 储池采用全地下形式。

(3) 双路排氢, 确保安全。次氯酸钠发生器工作过程中能够将氢气及时通过自带系统排放到室外, 或氢气意外泄露过程时, 次氯酸钠制备间内强制排风系统能够将室内氢气浓度降低至爆炸极限以下。同时, 储池兼具排氢功能, 利用排氢风机及储池进风口及出风口对电解过程中产生的氢气进行稀释排放, 确保安全。

(4) 优化清洗设施设置, 方便灵活。电极是现场制备次氯酸钠设备的核心部件, 当次氯酸钠发生器长期运行之后, 盐水中的钙镁硬度产物就会沉积在电解槽内部、尤其是在阴极上面形成。结垢的电极会导致电解槽直流电压升高, 从而降低电解器的电解效率, 造成能耗升高或产能下降。因此需采取清洗设施, 采用相应的除垢剂清除结垢现象。

湛江市某净水厂工程作为湛江地区首个采用现场制备次氯酸钠消毒的水厂, 其制备间的设计及溶盐系统、次钠储池及排氢系统的优化设计对类似工程具有一定的指导借鉴意义。同时, 为保证运行安全, 设计采取了防腐、通风及设备脱氢措施与制备间内强制排风连锁措施。并对电极及软化水系统定期检测, 同时采用清洗设施, 用相应的除垢剂清除电极结垢现象, 防止发生器产能下降。